華中科技大學示波器實驗

示波器的使用班級：學生：學號：論文內(nèi)容實驗?zāi)康膬x器介紹實驗原理實驗步驟數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)處理問題討論實驗?zāi)康恼莆諗?shù)字存儲示波器和函數(shù)信號發(fā)生器基本使用方法；研究RC和RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程，加深對電阻、電容、電感特性的理解，理解阻尼振動的運動規(guī)律。儀器介紹函數(shù)信號發(fā)生器（ch1、ch2電壓輸出數(shù)字儲存示波器（Autoset自動設(shè)置Measure數(shù)據(jù)測量Cursor探針Display顯示格式）實驗原理——數(shù)字儲存示波器原理一個典型的數(shù)字存儲示波器原理框圖如圖所示，模擬輸入信號先適當?shù)胤糯蠡蛩p，然后再進行數(shù)字化處理。數(shù)字化包括“取樣”和“量化”兩個過程，取樣是獲得模擬輸入信號的離散值，而量化則是使每個取樣的離散值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字，最后，數(shù)字化的信號在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAM（存儲器）中，CPU從存儲器中依次把數(shù)字信號讀出并在顯示屏上顯示相應(yīng)的信號波形。GPIB為通用接口總線系統(tǒng)，通過它可以程控數(shù)字存儲示波器的工作狀態(tài)，并且使內(nèi)部存儲器和外部存儲器交換數(shù)據(jù)成為可能。由此可見，數(shù)字示波器必須要完成波形的取樣、存儲和波形的顯示，另外為了滿足一般應(yīng)用的需求，幾乎所有微機化的數(shù)字示波器都提供了波形的測量與處理功能。圖1數(shù)字存儲示波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗原理——信號波的基本概念

正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可視成是基波和無數(shù)不同頻率的諧波分量組成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次諧波分量迭加而成。

對于非正弦波，由最小值過渡到最大值的時間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波的頻率也越高。對于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。在使用數(shù)字示波器過程中，測量不同波形會得到不同的波參數(shù)，波的基本參數(shù)定義如圖所示。實驗原理——RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程

函數(shù)信號發(fā)生器輸出一定頻率的方波周期電壓信號如圖所示，電阻、電容串聯(lián)電路如圖所示。當方波前半個周期處于高電平E時，相當于電源開關(guān)K合向“1”，直流電源E對電容C充電；當方波后半個周期處于低電平0時，相當于在電容C充電后，把開關(guān)K從“1”合向“2”，電容C開始放電過程。實驗原理——RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程由電路方程可解出，電容C兩端的電壓隨時間變化規(guī)律為：當電容在充放電過程中，其電壓VC(t)均按指數(shù)規(guī)律變化。當電容器被充電時，電壓逐漸增大，而放電時則逐漸減小。令

，其具有時間的量綱，稱為電路的時間常數(shù)，是表征暫態(tài)過程進行快慢的一個重要物理量。時間常數(shù)越大，充放電過程越慢，反之亦然。圖中顯示了時間常數(shù)分別取不同值時的VC(t)－t曲線。實驗原理——RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程由電阻R、電感L和電容C組成的直流串聯(lián)電路如圖所示。令,λ稱為電路的阻尼系數(shù)，隨著阻尼系數(shù)的不同，其電路方程有三種不同的解。當方波為高電平時，可得到：（1）阻尼較小

，即

，弱阻尼狀態(tài)，電容兩端電壓為：可見，電容電壓呈現(xiàn)振蕩特性，由于電阻R的作用，使振蕩幅度呈指數(shù)衰減，衰減的快慢由時間常數(shù)τ決定。這種情況稱為弱阻尼振蕩狀態(tài)。時間常數(shù)

，振蕩角頻率實驗原理——RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（2）

，即

，臨界阻尼狀態(tài)，此時：上式表明，當電阻值達到一定臨界值，使得

時，

,此時電路中各物理量的變化過程不再具有周期性，這便是臨界阻尼狀態(tài)。（3）

即

，過阻尼狀態(tài)過阻尼狀態(tài)下的電容電壓變化如圖中的虛線所示，它以緩慢單調(diào)的變化方式逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。實驗步驟（一）——信號參數(shù)測量（1）將信號發(fā)生器的“ch1電壓輸入”與示波器輸入通道1相連。（2）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，波形為正弦，頻率為500HZ，幅值5.00V。按下Autoset，調(diào)節(jié)水平部分標度旋鈕，使示波器上顯示5個周期波形，按下Measure，記錄信號各數(shù)據(jù)。（3）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器波形為脈沖，占空比為40%，頻率20HZ，幅值5.00V，按下Autoset調(diào)節(jié)水平部分標度旋鈕，使示波器上顯示5個周期波形，按下Measure，記錄信號各數(shù)據(jù)。（4）選取Autoset中僅顯示一個正頻，記錄正頻寬為19.36ns~19.51ns。（5）選取Autoset中僅顯示一個上升過程，記錄上升時間19.50ns~20.50ns。實驗步驟（二）——觀察李薩如圖形（1）將信號發(fā)生器的“ch1電壓輸出”與“ch2電壓輸出”分別連接到示波器1、2輸入通道。設(shè)置信號發(fā)生器輸出的兩信號均為正弦波，信號頻率為1HZ,幅值10.00V，相位0。（2）調(diào)節(jié)Display中格式為XY，按下Autoset。（3）固定一信號，依次改變另一信號的頻率與相位，記錄數(shù)據(jù)。實驗步驟（三）——測量RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（1）在電路板上選擇R=1kΩ的電阻串聯(lián)，將其兩端分別連接至信號發(fā)生器的“ch1電壓輸出”及示波器。（2）調(diào)節(jié)ch1輸出電壓，波形為方波，未能在示波器上觀察到期望中的波形，檢查實驗裝置，初步判斷為示波器1號輸入通道所連接電壓不應(yīng)為電路兩端電壓，而應(yīng)是電容兩端電壓。（3）重新連接電路，調(diào)節(jié)方波頻率為2kHZ，調(diào)節(jié)探針測量電路半衰期，記錄探針數(shù)據(jù)。（4）將電阻換為10kΩ，調(diào)節(jié)方波頻率為200HZ，重復(fù)試驗，記錄探針數(shù)據(jù)。實驗步驟（四）——RLC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程（1）將10Ω電阻，330μH電感線圈，0.047μR電容串聯(lián)，電路兩端與“ch1電壓輸出”相連，電壓輸出為1kHZ方波,電容兩端與輸入通道1相連。（2）示波器顯示為臨界阻尼振蕩圖像，檢查實驗裝置，判斷為電壓輸出線中紅黑接線柱接反，重新連接電路開始試驗。（3）調(diào)節(jié)ch1輸出電壓頻率為5kHZ，得到周期變換函數(shù)如圖中紅線，使用探針記錄阻尼振蕩周期數(shù)據(jù)。（4）電阻換為10kΩ，電壓頻率為100HZ，得到虛線圖像數(shù)據(jù)記錄——實驗（1）（以上數(shù)據(jù)均為平均值）數(shù)據(jù)記錄——實驗（2）數(shù)據(jù)記錄——實驗（3）R=1kΩ（mv）（μs）R=10kΩ（mv）（μs）數(shù)據(jù)記錄——實驗（4）（數(shù)據(jù)5偏差過大，處理數(shù)據(jù)時舍去）數(shù)據(jù)處理——實驗（3）當R=1kΩ半衰期平均值Δt1=185.00/6=30.833μs時間常數(shù)

τ1=Δt1/㏑2=44.483μs當R=10kΩ半衰期平均值

Δt2=1980.0/6=330.00μs時間常數(shù)

τ2=Δt2/㏑2=476.09μs結(jié)論——實驗（3）當R=1kΩ時間常數(shù)理論值t1=RC=47μs相對誤差=（τ1-t1）/t1=-5.36%當R=10kΩ時間常數(shù)理論值